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1、主动配电网供电质量控制,程 林 清华大学电机工程与电子技术系 2016年9月22日,目录,2,主动配电网特征,具备一定比例的分布式可控资源 网络拓扑可灵活调节的配电网 较为完善的可观可控水平 实现协调优化管理的管控中心,区别于被动配电网的 四个主要特征,3,背景和意义,2011年北京电网系统平均停电时间为1.58小时，供电可靠率为99.982%, ； 2011年新加坡电网停电时间为0.28分钟，供电可靠性指标已达到99.99994673%； 2009年日本东京电网停电时间为2分钟，供电可靠性指标已达到99.999619%； 2007年法国巴黎电网停电时间为10分钟，供电可靠性指标已达到99.
2、998%。,现代电网的可靠性已达到很高的水平,据Leonardo Energy（电力文献网站）对欧洲8个国家的电能质量调查，在工业等领域，电能质量每年大概造成损失超过 150 亿英镑，而其中60%的损失是由于电压暂降或短时停电（short interruption）引起的 2008.5.3下午4时35分，韩国丽水国家产业园区内五家大型石油化工厂发生了停电两秒钟左右的事故，造成了近200亿韩元的损失。事故原因是韩华石油化工厂内的避雷器故障。,电压暂降与短时中断的危害,背景与意义,电力系统可靠性的定义：向用户提供合格的、连续的电能的能力。 当前评估停电范围：分钟级及以上 供电质量=可靠性+电能质量
3、统一考虑 供电质量评估、供电质量控制,IEEE Std 1159-2011中，电压骤降（Voltage Sag）：电压骤降是供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10%-90%，并在随后的0.5个工频电压周期至1min的短暂持续期后恢复正常的现象。 IEEE Std 1159-2011中，瞬时中断（Momentary Interruption）：一相或三相工频电压有效值下降至接近于零（低于额定电压10%），持续时间在0.5个工频电压周期至3s之间的短时变化。 IEEE Std 1159-2011中，暂时中断（Temporary Interruption）：一相或三相工频电压有效值下降
4、至至接近于零（低于额定电压10%），持续时间在3s至1min之间的短时变化。 GB/T 30137-2013 对电压暂降与短时中断的定义参照了IEEE Std 1159-2011. DL/T8362012供电系统用户供电可靠性评价规程中，短时中断（short interruption） ：持续停电时间小于等于3 min的停电。 美国2003年发布的供电可靠性标准(IEEE 1366-2012)中将小于5 min的供电中断称为短时中断。 2001年英国电力监管委员会发布的供电质量监管条例将持续停电的历时标准定为1 min，后来为鼓励供电公司采用自动化技术提高供电可靠性，将标准调整为3 min，因
5、为在标准定为1 min的这段期间内，供电企业因缺少适用的技术而放弃改进措施。,背景与意义相关标准和定义,背景与意义负荷需求,现代负荷分类是根据供电质量波动对其影响程度一般分为普通负荷、敏感负荷、严格负荷3类 为了分析研究短时停电对用户负荷的影响，按短时停电持续时间对负荷的影响程度划为4类： 一般敏感负荷，分钟级的短时停电就会对用电负荷造成影响和危害； 二是敏感负荷，秒级的短时停电就会对用电负荷造成影响和危害； 三是特别敏感负荷，（周波级，几十几百ms）就会对用电负荷造成影响和危害； 四是严格负荷，（毫秒级，0.02s内）就会对用电负荷造成影响和危害。,7,特别敏感负荷电压耐受曲线,主动配电网对
6、供电质量新需求背景与意义,场馆照明 半导体行业 ,石化行业 通信行业 汽车制造业 ,橡胶塑料制造业 纺织业 ,玻璃制造工业 公共机构 ,大量的分布式电源接入对电网供电质量提出高要求,应对量大面广的迫切需求 可以提出接入新标准和新要求 主动配电网即插即用、友好接入 需要经济的系统级解决方案,背景与意义,背景与意义,背景与意义,研究内容,紧迫问题,如何定位电网薄弱环节，确定治理对象及治理方案？ 如何从网侧经济、可靠地满足停电承受时间要求在20ms-3s间的用户的需求？,如何提升切换方案的故障检测速度？ 如何在切换过程中维持母线电压？ 应采取怎样的切换策略？,目录,14,供电质量整体控制策略,控制流
7、程,供电质量整体控制策略,残压幅值,70%,80%,90%,持续时间,0%,( t min1 , max1 , 1 ),( t min2 , max2 , 2 ),( t min3 , max3 , 3 ),数据需求,负荷正常运行,负荷受到影响,负荷需求调研,供电质量整体控制策略,调研参数：,暂降及中断调研,调研范围：,10kV-220kV,运行方式发生变化时，也会与敏感负荷存在电气联系,供电质量整体控制策略,电压凹陷域,电压凹陷域计算,作用：通过故障扫描，获得对敏感负荷的工作造成影响的故障设备集,供电质量整体控制策略,评估指标： 敏感负荷停运频率（次/年）： 期望负荷损失价值（万元/年）：,
8、线路故障引起停运频率,母线故障引起停运频率,变压器故障引起停运频率,敏感负荷单次停运损失,电压暂降与短时中 断可靠性评估,供电质量整体控制策略,电压暂降与短时中断可靠性评估软件开发：,电压暂降与短时中 断可靠性评估,供电质量整体控制策略,治理方案治 理效果评估,供电质量整体控制策略,电压 幅值,1,0,持续时间,快速切换治理效果,可局部治理敏感负荷,电压 幅值,1,0,持续时间,电压 幅值,1,0,持续时间,电压 幅值,有源快速切换,等效电压耐受曲线,治理等效,治理等效,治理方案治 理效果评估,适合kVA级敏感负荷,适合MVA级敏感负荷,供电质量整体控制策略,1 Dugan R C, McGr
9、anaghan M F, Santoso S, et al. Electrical power systems quality. 3rd ed., McGraw Hill Professional, 2012.,治理成本,治理方案经 济性评估,供电质量整体控制策略,固态开关,快速开关,DVR，普通开关,固态/快速开关,DVR(部分治理),严格负荷，5MW,特别敏感负荷，5MW,治理方案选择,目录,25,电压暂降和短时中断的快速检测,故障区域识别,系统提供短路电流,分布式能源倒送短路电流,区内区外故障的差异,直接故障与关联故障,电流检测方法,基于最小二乘法的电流拟合,泰勒一阶展开,最小二乘拟合,
10、短时傅里叶变换,0.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降,电压暂降和短时中断的快速检测,电压幅值快速检测,瞬时电压dq分解（延时构造法）,0.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降,电压暂降和短时中断的快速检测,电压幅值快速检测,0.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降,电压暂降和短时中断的快速检测,瞬时电压dq分解（求导法）,电压幅值快速检测,0.5-1s发生0.5p.u.的电压暂降,电压暂降和短时中断的快速检测,电压幅值快速检测,推荐方法,目录,33,同步发电机型DER 柴油发电机（移动电源车）、小水电、热电联产汽轮机组、生物质能发电、永磁风力发电机 异步发电机型DER 鼠笼、双馈风力发电机
11、 逆变器型DER 光伏发电、燃料电池、微型汽轮机、飞轮储能、蓄电池储能、超级电容储能、超导储能,配电网中的分布式能源分类,主要研究内容,动态响应快，主要取决于控制策略及储能动态特性,同步发电机型DER的残压支撑特性,假设： 切换期间同步发电机的励磁、转速恒定 负荷采用恒阻抗模型 过渡过程间时间常数差别大，可认为互相独立,开关误跳：仿真至3s时跳开,三相短路：仿真至3s时触发,恒转矩恒励磁, =( 0 2 + ) +( 2 + 2 + ) +( 2 + 2 + ) ,同步发电机型DER的残压支撑特性,开关误跳=发电机负荷突增,定子绕组衰减,阻尼绕组衰减,励磁绕组衰减, =( + )( + )=
12、+( + ,残压幅值：, =( 0 2 + ) +( 2 + 2 + ) +( 2 + 2 + ) ,三相短路后开关动作：发电机三相短路过程+发电机负荷突增,同步发电机型DER的残压支撑特性,理论与仿真的对比,开关误跳,三相短路,故障发生后的20ms3s间理论与仿真结果具有较高吻合度,备用电源合闸机理,快速切换 工作母线残压与备用母线电压的幅值差、相位差在整定范围内即可进行切换 防止产生过高的冲击电流 同相捕捉切换 工作母线残压与备用母线电压的相位差为360时进行切换 在快速切换条件不满足时提供第二次切换机会 切换时机,不同切换方式所处的切换区域,首次同相切换,残压切换,备用电源合闸机理,切换
13、效果对比（不同切换策略）,分闸延时： 5ms 合闸延时：10ms 模拟快速开关切换,快切占优,同捕占优,备用电源合闸机理,切换效果对比（不同合闸速度）,相近，处于同一过渡过程,普通开关合闸时间30-80ms,切换角差越大，冲击电流越大,目录,42,配电网快速切换装置研制,配电网快速切换装置外观图,快速切换性能检测试验接线图,快速涡流驱动技术快速开关,采用电磁力进行分合闸操作，动作速度弹簧机构普通断路器 电力电子设备在控制回路中，无固态开关在高电压、大功率方面的限制,配电网快速切换装置检验（试验）报告,主要检测试验内容,动热稳定性检测,控制系统EMC检测,切换速度性能检测,耐受电压、温升试验,上级开关误跳时快速切换效果,进线短路故障时快速切换效果,实际切换效果,满足停电时间要求在20ms-3s间的负荷要求,目录,50,主要成果与结论,提出了供电质量整体控制策略的流程及风险评估指标，可以为治理方案的选择提供参考。 提出了基于有源快速切换的网侧治理电压暂降和短时中断的整套方案，可适用于具有不同敏感度的敏感负荷的需求。 深入研究了采用涡流驱动式快速开关的切换方案中的关键技术问题，包括
